Zink – ein essentielles Spurenelement

 

 

Zink – ein essentielles Spurenelement

Beim Zink handelt es sich um ein chemisches Element mit dem Symbol „Zn“ und der Ordnungszahl 30. Es handelt sich hierbei um ein Übergangsmetall, das aber in seinen Eigenschaften den Erdalkalimetallen näher steht. Es ist von bläulich-weißer Farbe mit sprödem Aussehen.

 

In der Industrie findet es ausgedehnte Anwendung: Verzinken von Eisen- und Stahlteilen, als Korrosionsschutz, zur Herstellung von Legierungen mit Kupfer (Messing) und Aluminium, als Bestandteil von Batterien usw. Für die Lebewesen auf der Erde ist Zink ein essentielles Spurenelement, da es, wie so viele andere Spurenelemente auch, einen zentralen Bestandteil von wichtigen Enzymen darstellt. Damit wird auch klar, dass Zink ein weiterer anorganischer Stoff ist, ohne den das Leben auf der Erde nicht möglich gewesen wäre.

 

 

Biologische Bedeutung

Zink ist ein essentielles Spurenelement für Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen. Man kann es in fast 100 spezifischen Enzymen finden. Andere Quellen sprechen sogar von mehr als 300 verschiedenen Enzymen. Hier kommt es der Aufgabe als Struktur-Ion in Transkriptionsfaktoren nach (Zinkfingerproteine). Es ist nach Eisen das am zweithäufigste Metall im Organismus. Und es ist das einzige Metall, dass in allen Enzymklassen vertreten ist. In Proteinen werden Zink-Ionen oft angelagert an eine Seitenkette aus Asparaginsäure, Glutaminsäure, Cystein und Histidin. Diese Form der Zinkbindung an Proteine – und die anderer Metall-Ionen – wird noch nicht vollkommen verstanden. Im menschlichen Organismus sind etwa 2 bis 4 Gramm Zink verteilt. Das meiste Zink befindet sich im Gehirn, den Muskeln, den Knochen, den Nieren und der Leber.

 

Die höchsten Konzentrationen sind in der Prostata und Teilen des Auges zu finden. Samen ist besonders reich an Zink, das einen Schlüsselfaktor in der Prostatafunktion und dem Wachstum der Sexualorgane einnimmt. Im menschlichen Organismus spielt Zink die Rolle eines „Mädchen für alles“. Es interagiert mit einer großen Zahl an organischen Liganden und spielt eine Rolle beim Metabolismus von RNA und DNA, Signalübertragung und Genexpression. Es reguliert sogar die Apoptose (programmierter Zelltod). Heute vermutet man, das etwa 10 Prozent der menschlichen Proteine (2800) sich mit Zink verbinden. Dazu kommen dann noch Hunderte, die Zink transportieren und verteilen. Eine Studie bei der Schotenkresse, auch Gänserauke oder Acker-Schmalwand genannt (Arabidopsis thaliana), identifizierte 2367 Zink-Proteine. Im menschlichen Gehirn wird Zink in speziellen synaptischen Vesikeln von Glutamat produzierenden Neuronen gespeichert und kann von dort die Hirnerregbarkeit beeinflussen. Es spielt eine Rolle bei der synaptischen Plastizität (dies sind die morphologischen und physiologischen Veränderungen innerhalb der Neuronen) und damit beim Lernen. Jedoch wird es im Gehirn immer noch als eine unbekannte Größe angesehen, da es auch neurotoxisch wirksam werden kann. Von daher muss eine bestimmte Zink-Homöostase für die normale Funktion des Gehirns und des zentralen Nervensystems eine besondere Rolle spielen. Wie diese Homöostase aussieht, ist bislang nicht bekannt.

 

 

Enzyme

 

Zink ist eine effiziente Lewis-Säure. Als Lewis-Säuren werden alle die Stoffe bezeichnet, die Elektronenpaare akzeptieren, also elektrophil sind. Dies können, wie in diesem Fall, auch Metalle sein und müssen nicht die klassischen Besonderheiten einer Säure aufweisen. Durch diese Eigenschaft wird Zink zu einem nützlichen Katalysator für eine Reihe von enzymatischen Prozessen im Organismus. Zink hat eine flexible Geometrie, die es einem Protein erlaubt, mit dem Zink schnelle biologische Reaktionen einzugehen.

Z.B. enthalten die Carboanhydrase und die Carboxypeptidase Zink-Ionen. Diese Enzyme sind wichtig bei der Regulierung von Kohlendioxid und der Verdauung von Proteinen.

 

Im Blut der Wirbeltiere formt die Carboanhydrase das anfallende Kohlendioxid um in Bicarbonat. Das gleiche Enzym kann aber auch Bicarbonat wieder zurückführen zu Kohlendioxid, damit es durch die Lunge wieder ausgeatmet werden kann. Ohne dieses spezifische Enzym würde die Umwandlung eine Millionen mal langsamer verlaufen bei einem normalen Blut pH-Wert von 7. Um den Prozess zu beschleunigen, ohne das Enzym, müsste der pH-Wert des Bluts bei 10 liegen, was aber alle anderen Funktionen des Organismus abschalten würde. Die Carboxypeptidase bricht Peptidverbindungen während des Verdauungsprozess auf. Hier spielt Zink eine Rolle in der „Freilegung“ der aufzubrechenden Bindungsstellen des zu verdauenden Peptids.

 

 

Andere Proteine

 

Zinkfingerproteine sind Transkriptionsfaktoren bzw. Teile davon, die in der Lage sind DNA Basensequenzen während des Replikations- und Transkriptionsvorgangs einer DNA zu erkennen. Jedes der 9 oder 10 Zink-Ionen in einem Zinkfingerprotein hilft beim Erhalt der Struktur des Proteins. Sie koordinieren dabei die Bindungen zu jeweils 4 Aminosäuren des Transkriptionsfaktors. Der Transkriptionsfaktor wickelt sich dann um die DNA-Helix und benutzt seine Fingerproteine, um gezielt und korrekt an die DNA-Sequenz anzubinden. Im Blut ist Zink zu 60 Prozent mit einer geringen Affinität an Albumin gebunden, welches das Metall-Ion durch die Blutbahn transportiert. Zu 10 Prozent ist Zink an Transferrin gebunden. Da die Hauptaufgabe des Transferrins der Eisentransport ist, kann eine exzessive Konzentration von Zink zu einer Reduktion der Eisenresorption führen – und umgekehrt. Eine ähnliche Konstellation gibt es in Verbindung mit Kupfer. Die Konzentrationen von Zink im Blutplasma bleiben normalerweise relativ konstant, und das ungeachtet der Zinkeinnahme. Zellen in Speicheldrüsen, Prostata, Immunsystem und Gastrointestinaltrakt brauchen Zink-Ionen für die Zellkommunikation (Cell signaling) mit anderen Zellen.

Zink kann in Metallothioneinen im Gastrointestinaltrakt oder der Leber gespeichert werden. Metallothioneine sind kleine cytoplasmatische Proteine (Proteine, die sich in der Zellflüssigkeit, dem Zytoplasma, aufhalten), die in der Lage sind, Schwermetalle zu binden. Sie haben einen ungewöhnlich hohen Cysteingehalt von mehr als 30 Prozent. Man vermutet, dass die Aufgaben dieser Proteinklasse neben der Schwermetallentgiftung auch die Speicherung von nützlichen Metallen im Organismus sind. Das Metallothionein im Gastrointestinaltrakt ist in der Lage, die Resorption von Zink um 15 bis 40 Prozent zu korrigieren. Trotzdem ist eine inadäquate, exzessive Zink-Einnahme schädlich. Eine zu hohe Zink-Einnahme blockiert die Kupferaufnahme, da die Metallothioneine beide Metalle resorbieren.

 

Quellen für Zink in der Ernährung

 

Die Empfehlungen für den täglichen Zink-Bedarf liegen bei etwa 9 Milligramm für Frauen, 14 Milligramm für Männer, 10 Milligramm für Kinder vor der Pubertät und 5 Milligramm für Säuglinge. Gute Zink-Lieferanten sind rotes Fleisch vom Rind, Schaf und Leber. Bei den Pflanzen richtet sich der Zinkgehalt weitestgehend nach der Bodenbeschaffenheit, auf dem die Pflanze gewachsen ist. Bei einem adäquaten Zinkgehalt sind die Pflanzen mit dem höchsten Zinkgehalt Weizen (Kleie) und verschiedene Samen von Sesam, Alfalfa, Sellerie, Mohn, Senf etc. Aber Zink ist auch enthalten in Bohnen, Nüssen, Mandeln, Vollkorn, Sonnenblumensamen und der schwarzen Johannisbeere. Andere Quellen sind angereicherte Nahrungsmittel und Nahrungsergänzungsmittel in den verschiedensten Formen. Es gab aber Zweifel, ob das Zink in Form von Zinkoxid und Zinkkarbonat, wie es in den kommerziellen Produkten zur Anwendung kommt, überhaupt resorbierbar ist, da die beiden Zink-Formen so gut wie unlöslich sind. Trotzdem ist es immer wieder zu „Zink-Vergiftungen“ gekommen. Die tägliche Höchstdosis sollte 20 Milligramm nicht überschreiten.

 

Die bislang beste Bioverfügbarkeit für Zink wurde in einer 1987 durchgeführten Studie ermittelt:

In dieser Studie wurde die Resorbierbarkeit verschiedener Zink-Komplexe untersucht. Dazu wurden 15 gesunde Probanden in einer randomisierten, doppelblinden, Plazebo kontrollierten Studie in 4 Gruppen über 4 Wochen mit oralen zinkhaltigen Nahrungsergänzungsmitteln versorgt.

 

Die tägliche Zinkdosis betrug in allen Fällen 50 mg elementares Zink. Vor Studienbeginn und nach Studienende wurde Zink im Haar, Urin, Erythrozyten und Serum bestimmt. Am Ende der Studie konnte man feststellen, dass bei Zink-Picolinat ein deutlicher Anstieg von Zink in Haaren, Urin und Erythrozyten zu beobachten war. Die anderen Darreichungsformen verursachten keinen nennenswerten Anstieg der Zinkkonzentrationen. Von daher scheint eine Konjunktion von Zink mit Picolinsäure als Zink-Picolinat die beste Form für eine Supplementierung darzustellen. Abschließend sei dazu noch anzumerken, dass trotz dieser „beeindruckenden“ Ergebnisse, eine natürliche Aufnahme über die geeigneten Nahrungsmittel eine noch beeindruckendere Bioverfügbarkeit als die der Supplemente besitzt.

 

Mangelerscheinungen

 

Immer wieder lässt sich nachlesen, dass gerade in den Entwicklungsländern ein enormer ernährungsbedingter Zinkmangel herrscht. Aber auch einige Erkrankungen können für einen Mangel sorgen. Chronische Lebererkrankungen zählen dazu, Resorptionsstörungen, Sichelzellanämie, chronische Nierenerkrankungen, Krebserkrankungen, Diabetes und andere chronische Erkrankungen. Die Symptome eines leichten Zink-Mangels sind verschiedenartig. Sie beinhalten verlangsamtes Wachstum, Durchfälle, Impotenz, verzögerte sexuelle Reifung, Haarausfall, Augen- und Hautveränderungen, Appetitlosigkeit, verändertes Wahrnehmungsvermögen, geschwächtes Immunsystem, Unregelmäßigkeiten im Kohlenhydrat-Stoffwechsel und erhöhte Anfälligkeit für Krebserkrankungen im Sexualtrakt.

 

Risikogruppen für einen Zink-Mangel sind ältere Menschen und Vegetarier. Letztere sind deswegen betroffen, da die pflanzliche Nahrung unter Umständen Phytate enthält, die als Chelate gelten, also bioaktive Substanzen, die Metalle binden und so dem Organismus vorenthalten. Aber auch hier ist diese Einschränkung abhängig von der Art der pflanzlichen Ernährung, denn nicht alle Pflanzen enthalten gleich viel und gleich konzentriert Phytate. Mais, Soja und die verschiedenen Getreidesorten, aber auch die Erdnuss enthalten z.B. hohe Konzentrationen an Phytaten.

 

Laut WHO leiden in den ärmeren Ländern dieser Welt 2 Milliarden Menschen an Zink-Mangel. Bei Kindern verursacht dieser Mangel eine erhöhte Infektionsanfälligkeit und Durchfälle, die jährlich 800.000 Kindern das Leben kosten. Stellvertretend sei hier auf eine Studie verwiesen, bei der die Wirkung von Zink auf Durchfall studiert worden ist. In dieser Studie sollte die klinische Wirkung von Zink, Zink plus Vitamin A und Zink plus einer Kombination von Mikronährstoffen (Eisen, Kupfer, Selen, Vitamin B12, Folat und Vitamin A) auf einen akuten Durchfall bei Kindern untersucht werden. Dazu wurde eine randomisierte, doppelblinde und mit Plazebo kontrollierte Studie mit Kindern mit einem Alter zwischen 6 und 24 Monaten durchgeführt. Diese zeigten das klinische Bild einer Diarrhö und mittelschwerer Dehydrierung.

 

 

Sie wurden zufallsbedingt aufgeteilt in 4 Gruppen:

Gruppe 1 bekam Zink mit Plazebo,
Gruppe 2 Zink und Mikronährstoffe
Gruppe 3 Zink plus Vitamin A und
Gruppe 4 nur Plazebo zu der Rehydrierungstherapie.

 

 

Die Dauer und Menge des Durchfalls, sowie die Menge an oraler Lösung zur Rehydrierung stellten die Beurteilungskriterien zum Vergleich der Gruppen dar. Insgesamt wurden 167 Kinder in die Studie aufgenommen.

In allen Gruppen, in denen es zu einem Zink-Einsatz kam, zeigte sich eine signifikante Reduzierung der Beurteilungsvariablen im Vergleich zu Plazebo. Die Gruppe 2 zeigte den größten Erfolg in der Behandlung, wenn auch der Unterschied zu den anderen beiden Zink-Gruppen nicht statistisch signifikant war. Aber diese Arbeit lässt den Schluss zu, dass Zink eine ausschlaggebende Rolle bei Durchfall spielt, alleine und in Kombination mit andern Spurenelementen und/oder Vitaminen. Von daher ist es empfehlenswert, bei Kindern mit Durchfällen in erster Linie auf eine Zink-Supplementierung zu achten. Aber sein Augenmerk „nur“ auf Zink zu lenken, ist nicht die Lösung dieser Probleme. Gerade in den Entwicklungsländern spielt bei Mangelerscheinungen eine Vielzahl von Faktoren, nicht nur der Zink-Mangel, eine Rolle bei der Ausbildung ernährungsbedingter Mangelerscheinungen. Von daher gilt es da, mehr als nur Zink zu supplementieren.

 

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